연세대 김지현 교수팀, 구강 세균만으로도 암 판별 가능한 모델 개발

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연세대학교(총장 윤동섭) 시스템생물학과 김지현(마이크로바이옴연구원장, 연세 이윤재 펠로우) 교수팀은 입속 미생물에서 위암과 대장암을 구분할 수 있는 새로운 단서를 발견했다. 구강 미생물 가운데 장에서도 발견되는 미생물을 추적해, 건강한 사람과 암 환자 사이에 뚜렷한 차이가 나타난다는 사실을 확인했다.

교수팀은 구강에서 위장관에 이르는 미생물 분포를 측정해 ‘구강-대변(MF) 미생물 전이 지수’를 개발하고, 이를 기반으로 대장암과 위암을 효과적으로 판별할 수 있는 비침습적 미생물 군집(마이크로바이옴) 기반 진단 전략을 제시했다.

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위암과 대장암은 발생률과 사망률이 높은 암으로, 조기 발견이 중요하다. 최근 40대 이하의 젊은 층에서도 위암과 대장암의 발병률이 증가하고 있으며, 특히 `젊은 대장암' 발병률은 OECD 국가 중 1위이다.

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성인은 하루 1리터 가량의 침을 삼키며, 이를 통해 약 1조 마리에 이르는 구강 미생물이 소화기에 유입된다. 건강한 사람의 소화관에는 위산과 쓸개즙, 장내 미생물, 면역 체계 등이 있어 방어막 역할을 하기에 입속 미생물이 위장관에서 살아남기 어렵다. 따라서 구강과 장은 일반적으로 서식하는 미생물 종류가 다르다. 연구진은 각종 질환자에서 구강-장 미생물 생태계의 구분이 약화가 될 가능성에 주목했다.

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연구 결과 미생물 전이 지수가 위암‧대장암 환자에게서 높게 나타났으며, 전이 미생물의 구강과 장내 분포는 운동 습관, 혈중 콜레스테롤, 백혈구 수, 갑상선 기능 지표 등 생활 습관 및 건강지표와도 연관성을 보였다. 이는 구강 미생물의 장내 유입 양상이 암뿐 아니라 건강 상태와도 관련됨을 의미한다.

암의 종류와 진행 단계에 따라서도 서로 다른 미생물 전이 패턴이 나타났으며, 일부 패턴은 암의 초기 단계에서도 관찰됐다. 이는 전이 미생물 패턴이 암의 유형과 진행 정도를 반영하고, 향후 암 조기 진단 지표로 활용될 잠재력을 보여준다.

연구진은 전이 미생물 정보를 활용해 건강인과 위암과 대장암 환자를 구분하는 랜덤 포레스트 기법 기반 분류 모델을 구축했다.

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한편, 대변 시료 없이 구강 시료만 이용한 경우에도 위암 또는 대장암 관련 신호를 확인할 수 있었고, 이는 입안을 헹구는 것만으로 간편하게 채취할 수 있고, 대변 채취에 비해 거부감이 적다는 실용적인 장점이 있었다.

연구팀은 이 결과가 구강‧대변 마이크로바이옴 정보를 활용해 기존 암 선별검사의 민감도를 보완할 수 있는 새로운 접근법을 제시한 것이라고 설명했다.

연구를 이끈 김지현 마이크로바이옴연구원장은 “입을 간단히 헹구기만 해도 위암과 대장암 관련 신호를 확인할 수 있다는 점은 암 검진의 문턱을 낮추는 측면에서 중요한 의미를 지닌다”고 설명했다. 또한 이번 연구의 분석 틀은 대장암과 위암을 넘어 다양한 질환으로 확장할 수 있으며, 향후 유전정보와 생활습관, 임상정보를 결합한 개인 맞춤형 질병 위험 예측에도 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

논문의 제1저자인 연세대 미생물유전체학 및 시스템/합성생물학 연구실 장래근 박사는 “이번 연구는 입속 미생물이 장에서 발견되는 현상을 개인별로 측정할 수 있는 정량 지표로 발전시키고, 나아가 위암과 대장암을 판별하는 모델로 연결함으로써 구강-장 미생물 전이의 임상적 활용 가능성을 처음으로 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인연구사업, 바이오‧의료기술개발사업, 국가연구소(NRL2.0) 사업 및 연세대 연세 시그니처 연구클러스터 사업 ‘건강과 위암‧대장암 관련 구강-장관계 축의 유전 및 마이크로바이옴 생태동역학’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.

성과는 숙주-미생물 상호작용 분야 최고 권위의 국제학술지인 ‘세포 숙주와 미생물(Cell Host & Microbe)’에 8월 20일(목) 온라인 게재했으며, 오는 9월호(9월 9일(수) 발행)에 정식으로 수록될 예정이다.

특히 ‘실험실 벤치에서 병원 병상까지(bench to bedside)’ 기초과학의 임상 적용 연구를 싣는 ‘임상 중개 보고서(Clinical Translational Reports)’ 형식의 논문으로 발행돼 임상적 활용 가능성과 중개연구로서의 가치를 인정받고, 관련 특허도 출원됐다.

김지현 교수팀은 대장암 환자의 치료 전 대변 미생물 정보를 활용하여 예후를 예측할 수 있는 미생물 지표를 발굴하고, 합성 프로바이오틱스를 이용한 대장암 치료 전략을 제시한 바 있다.

또한 위암 환자의 위강 미생물이 발암 과정에 미치는 영향을 규명하고, 나아가 젊은 마우스의 장내 미생물이 나이든 마우스의 신체 기능을 개선할 수 있음을 보여주는 등 인체 마이크로바이옴 연구를 암의 예방‧치료에서 건강한 노화까지 확장해왔다.